March 11, 2024
熱交換器の定義
熱交換器は、熱い流体の熱の一部を冷たい流体に伝達する装置です。つまり、大きな密閉容器が水またはその他の媒体で満たされており、その容器の中をパイプが通っています。パイプに熱湯を流します。
パイプ内の水と容器内の温水と冷水の温度差により、熱交換が発生します。中学校物理の熱平衡では、高温の熱は必ず低温に運ばれ、パイプの中の水の熱は容器の中の冷たい水と交換されます。ヒーター砂漠。
熱交換器の分類と構造
熱交換器は次のように分類できます。
冷却器、凝縮器、加熱器、熱交換器、リボイラー、蒸気発生器、廃熱（または廃熱）ボイラー。
熱交換方式により次のように分類されます。
直接接触熱交換器 (ハイブリッド熱交換器とも呼ばれます)、再生熱交換器、隔壁熱交換器。
熱交換器を熱交換方式別に分類して主に紹介します。
1) 直接接触熱交換器
直接接触熱交換器は、熱伝達のために冷たい流体と熱い流体の間の直接接触に依存しています。この伝熱方式により、伝熱隔壁や両面の汚れや熱抵抗を回避できます。流体間の接触が良好である限り、熱伝達率は高くなります。
したがって、ハイブリッド熱交換器は、ガスの洗浄と冷却、循環水の冷却、蒸気と水の混合加熱、蒸気の凝縮など、流体が互いに混合できるあらゆる場所で使用できます。その用途は、化学および冶金企業、電力工学など多岐にわたります。 、空調エンジニアリング、その他多くの生産部門。
一般的に使用されるハイブリッド熱交換器には、冷却塔、ガススクラバー、ジェット熱交換器、ハイブリッドコンデンサーなどがあります。
2) 蓄熱式熱交換器
蓄熱式熱交換器は蓄熱式の熱交換を行う装置です。熱を蓄える固形中綿がたっぷり入っています。
一般に、防火格子は耐火レンガ（場合によっては金属製の波形ベルトなど）で構築されます。
熱交換は 2 段階で行われます。
第 1 段階では、高温ガスが防火網を通過し、熱を防火網に伝達して蓄えます。
第 2 段階では、冷たいガスがファイヤーグリッドを通過し、ファイヤーグリッドに蓄えられた熱を受け取ることで加熱されます。
これら 2 つのフェーズは交互に発生します。通常、2 つの再生器が交互に使用されます。つまり、高温ガスが一方の装置に流入すると、低温ガスがもう一方の装置に流入します。平炉製鋼炉の蓄熱器など、冶金産業でよく使用されます。
また、ガス炉の空気予熱器や燃焼室、人工石油プラントの再生分解炉などの化学産業でも使用されています。
3) 隔壁熱交換器
このタイプの熱交換器では、熱い流体と冷たい流体が金属によって分離されているため、2 つの流体が混合して熱が伝達することはありません。
化学生産では、熱い流体と冷たい流体が直接接触できないことが多いため、隔壁熱交換器が最も一般的に使用される熱交換器です。
以下に主に隔壁熱交換器の分類を紹介します。
a）ジャケット付き熱交換器
容器の外壁にジャケットを取り付けるタイプの熱交換器で、構造が簡単です。ただし、その加熱面は容器の壁によって制限されており、熱伝達率は高くありません。
熱伝達率を高め、ケトル内の液体を均一に加熱するために、ケトルにスターラーを取り付けることができます。
相変化を伴わない冷却水や加熱剤がジャケット内に導入される場合、ジャケットの片側の熱伝達率を高めるために、乱流を増加させるスパイラル隔壁またはその他の手段をジャケット内に設置することもできる。
伝熱面の不足を補うために、ケトルの内側にコイル状のチューブを取り付けることもできます。
ジャケット付き熱交換器は、反応プロセスの加熱と冷却に広く使用されています。
b) スネークチューブ熱交換器
コイルチューブ熱交換器はさらに浸漬コイルチューブ熱交換器とスプレーコイルチューブ熱交換器に分かれます。
スネークチューブは、主に金属管を容器に合わせてさまざまな形に曲げて作られ、容器内の液体に浸漬されます。
構造が簡単で高圧に耐えられる、耐食性の高い材料を使用できるなどの利点があります。
短所：容器内の液体の乱流が小さく、チューブ外部の熱伝達率が小さい。
熱交換チューブを鉄骨フレームに列状に固定します。
高温の流体がチューブ内を流れ、冷却水が装置全体に均一に注がれます。
利点: 高温の流体がチューブ内を流れ、冷却水が装置の上に均等に降り注ぎます。熱伝達率が大きいため、スプレー熱交換器の熱伝達効果は浸漬コイル熱交換器よりも優れています。
ただし、屋外に設置する必要があります。占有面積が大きく、周囲に水が飛び散りやすいため、使用が不便です。
c)ジャケット付き熱交換器
チューブ内とチューブ外の流体の流速が大きくなるためです。冷たい流体と熱い流体は純粋な向流で流れることができるため、熱伝達係数が大きく、熱伝達効果が優れています。一般的に給湯に使用されるのは、シンプルなスリーブ型熱交換器です。
d) シェルアンドチューブ熱交換器
シェルアンドチューブ熱交換器は、最も典型的な隔壁熱交換器です。産業における応用の長い歴史があり、今でもすべての熱交換器の中で支配的な地位を占めています。
シェルアンドチューブ熱交換器は主にシェル、チューブ束、チューブプレート、ヘッドで構成されています。シェルはほぼ円形で、内部に平行な管束が入っており、管束の両端は管板に固定されています。
シェルアンドチューブ熱交換器で熱交換する流体には 2 種類あります。1 つはチューブ内を流れ、そのストロークはチューブ側と呼ばれます。もう一方はチューブの外側を流れ、そのストロークはシェル側と呼ばれます。管束の壁面が伝熱面となります。
チューブの外側の流体の熱伝達率を向上させるために、通常、一定数の横バッフルがシェルに取り付けられます。
バッフルは、流体の短絡を防止して流体速度を高めるだけでなく、所定の経路に従って流体を管束内で複数回横流しさせ、乱流の度合いを大幅に増加させます。一般的に使用されるバッフルには、円形とディスク形の 2 つがあります (下図を参照)。前者の方がより広く使用されています。
流体がチューブ内のチューブ束を通過するたびにチューブパスと呼ばれ、流体がシェルを通過するたびにシェルパスと呼ばれます。
パイプ内の流体の速度を高めるために、両端のヘッドに適切な仕切りを取り付けて、すべてのパイプをいくつかのグループに均等に分割できます。
このように、流体はチューブの一部のみを通過し、一度に複数回チューブ束に戻ることができます。これをマルチチューブパスと呼びます。
同様に、チューブの外側の流量を増やすために、シェルに縦方向のバッフルを取り付けて、流体がシェルの空間を複数回通過できるようにすることができます。これはマルチシェルパスと呼ばれます。
シェルアンドチューブ熱交換器では、チューブの内側と外側の流体の温度が異なるため、シェルとチューブ束の温度も異なります。両者の温度差が大きいと熱交換器内部に大きな熱応力が発生し、チューブの曲がりや破損、管板からの剥がれなどの原因となります。
したがって、管束とシェルの温度差が 50°C を超える場合は、熱応力を除去または軽減するために適切な温度差補償措置を講じる必要があります。
補償方法：
拡張リングをシェルに取り付けるか、U 字チューブ熱交換器やフローティングヘッド熱交換器を使用します。
➪ 固定管プレート式熱交換器
高温流体と低温流体の温度差が大きくない場合は、固定管プレート式熱交換器を使用できます。
シンプルな構造で低コストですが、洗浄が難しく、スケールが発生しやすい流体や温度差の大きい流体には不向きです。
温度差がそれほど大きくない場合は、補償リングを備えた固定管プレート熱交換器を使用できます。
e) プレート式熱交換器
プレート式熱交換器は、長方形の薄い金属製伝熱プレートのセットで構成されており、これらのプレートはフレーム付きブラケットにクランプされて組み立てられています。
隣接する 2 枚のプレートの端には、圧縮のためにガスケット (各種ゴムまたは圧縮アスベストなどで作られたもの) が並べられています。プレートの四隅には流体の流路を形成する丸い穴があります。
プレート熱交換器とシェルアンドチューブ熱交換器の違い:
a.高い熱伝達率
異なる波板を反転させて複雑な流路を形成しているため、波板間の流路内を流体が回転しながら三次元的に流れ、低レイノルズ数（通常Re=50）で乱流を生成することができます。 ~200) であるため、熱伝達率は高く、一般にシェルアンドチューブ型の 3 ～ 5 倍と考えられています。
b.対数平均温度差は大きく、末端温度差は小さい。
シェルアンドチューブ熱交換器では、2 つの流体がそれぞれチューブ側とシェル側に流れます。一般的に流れはクロスフローとなり、対数平均温度差補正係数は小さくなります。ただし、プレート熱交換器はほとんどの場合、並流または向流モードを備えています。であり、その補正係数は通常 0.95 程度です。さらに、プレート式熱交換器内の冷温流体の流れは熱交換面と平行であり、側流がありません。そのため、プレート式熱交換器の端部での温度差は小さく、水との熱交換は通常5℃以下であるのに対し、シェルアンドチューブ式熱交換器では1℃以下で行うことができます。
c.小さな足跡
プレート式熱交換器はコンパクトな構造で、単位体積あたりの熱交換面積がシェルアンドチューブ式に比べて2～5倍となります。チューブ束を取り出すためのメンテナンススペースが必要なシェルアンドチューブタイプとは異なり、プレート式熱交換器は同等の熱伝達を実現できます。熱交換器の占有面積はシェルアンドチューブ熱交換器の約1/5～1/8です。
d.熱交換面積やプロセス組み合わせの変更が容易
いくつかのプレートを追加または削除する限り、熱交換面積を増減できます。プレートの配置を変更したり、数枚のプレートを交換したりすることで、必要なプロセスの組み合わせを実現し、新しい熱交換条件に適応させることができます。シェル熱交換器の伝熱面積を増やすことはほぼ不可能です
e.軽量
プレート熱交換器のプレートの厚さはわずか0.4〜0.8mmですが、シェルアンドチューブ熱交換器の熱交換チューブの厚さは2.0〜2.5mmです。シェルアンドチューブタイプのシェルはプレート式熱交換器のフレームに比べて非常に重いです。, プレート式熱交換器は通常、シェルアンドチューブ式熱交換器の重量の約 1/5 しかありません。
f.低価格
同じ材料と同じ熱交換面積を使用すると、プレート熱交換器の価格はシェルアンドチューブ熱交換器よりも約 40% ～ 60% 低くなります。
g.作りやすい
プレート熱交換器の伝熱プレートは高度な標準化で打ち抜き加工されており、大量生産が可能です。シェルアンドチューブ熱交換器は通常、手作りされています。
h.掃除が簡単
フレーム型プレート熱交換器の圧縮ボルトを緩めている限り、プレートの束を緩め、プレートを取り外して機械洗浄することができます。装置の頻繁な清掃が必要な熱交換プロセスに非常に便利です。
私。熱損失が少ない
プレート式熱交換器は、伝熱板の外板のみが大気に露出しているため、放熱ロスが少なく、断熱対策が不要です。シェルアンドチューブ熱交換器は熱損失が大きいため、断熱が必要です。
j.小容量
シェルアンドチューブ熱交換器の10%～20%です。私。単位長さ当たりの圧力損失が大きい。伝熱面間の隙間が小さく、伝熱面が凹凸であるため、従来の平滑管に比べて圧力損失が大きくなります。
k.拡張するのは簡単ではない
十分な内部乱流があるため、スケール調整が容易ではなく、スケール係数はシェルアンドチューブ熱交換器の 1/3 ～ 1/10.k にすぎません。プレート式熱交換器から漏れが生じる可能性があるため、使用圧力が大きすぎたり、媒体温度が高すぎたりしないでください。熱交換器はガスケットで密閉されており、使用圧力は通常2.5MPaを超えてはならず、媒体温度は250℃以下でなければなりません。そうしないと漏れが発生する可能性があります。
l.ブロックされやすい
プレート間の流路は非常に狭く、通常は 2 ～ 5 mm しかないため、熱交換媒体に大きな粒子や繊維物質が含まれる場合、プレート間の流路が詰まりやすくなります。
